三维打印技术在经皮冠状动脉介入治疗的应用进展

王庆涛　王玉璟*

三维打印技术在经皮冠状动脉介入治疗的应用进展

王庆涛①王玉璟①*

三维打印技术是在三维图像指导下，通过逐层和不间断地叠加特殊材料，进而生成三维实体模型的技术，是近些年来发展非常迅速的一项新技术。三维打印产品已经渗透到生活的方方面面。随着医学影像学三维技术和材料工程学的不断成熟，三维打印技术正在逐步应用到医疗实践中，其中在骨科、先天性心脏病治疗以及瓣膜置换的发展最为成熟。本研究通过讨论三维打印技术在医学领域的应用进展，从技术教学、医患沟通及手术预演等方面探讨三维打印技术在经皮冠状动脉介入治疗中的临床应用价值和未来的发展。

三维打印；经皮冠状动脉介入；教学模型；技术教学

［First-author's address］ Department of Cardiology， The First Affiliated Hospital of Yangtze University， Jingzhou 434000，China.

三维打印技术出现在20世纪90年代中期，是指在三维图像的指导下，将“打印材料”（塑料、树脂、硅胶及生物材料等）一层层叠加起来，最终将计算机上的三维图像变成实物的一项新技术。伴随着三维成像技术和材料工程学的飞速发展，三维打印技术表现出无限的潜能。由于德国三维打印联盟率先在其国内大力推广这一技术，使其在三维打印领域一直处于全球领先的地位。之后英国、美国、欧盟以及比利时相继成立相关研究所，投资巨额资金大力推广三维技术。2013年5月，我国科技部将三维打印技术纳入国家高技术研究发展计划（863计划）［1］。此举为三维打印技术在我国的行业发展提供了契机，是迈入“中国制造”坚实的一步。

1　三维打印技术在医疗领域的应用

三维打印技术的日臻成熟，使其不再局限于“高端科技”的范畴，而是渗入到人们生活的方方面面，如各种高雅艺术品、食品以及各种生活用品和医疗用品，而在医疗应用方面已经是三维打印最重要的发展方向之一。三维打印的最大优势就是个性化定制，即通过机器扫描物体获取数字化的模型信息，经过软件处理后建立其三维模型并进行打印，可实现完美复制或重构；由于不同患者的骨骼、牙齿及器官存在着差异性，故三维打印在医疗领域将其个性定制化的特征发挥得淋漓尽致［2-3］。目前，三维打印在医疗方面的应用包括3大类。

（1）体外医疗器械。主要有各种材料打印的义肢、用于教学和科研的医疗模型、健康辅具以及助听器等。

（2）定制化永久植入物。使用各种材料（钛合金、不锈钢及生物陶瓷等）打印的牙齿、关节、骨骼及软骨等产品，通过外科手术方法植入。

（3）生物打印。利用生物材料（干细胞、生长因子及各种营养成分等）打印出具有生物活性和生理功能的组织结构，为研制出人体组织替代物奠定了基础。

2　三维打印技术在心血管方面的应用

随着影像学检查技术的迅猛发展，尤其是三维重建技术的出现，医生可以更加清晰地观察组织病变的三维立体结构。而且对于许多复杂性先天性心脏病、瓣膜病及大血管类疾病等，其诊断和治疗的关键在于清晰地认识患者病变部位的解剖结构。但三维重建技术有时也难以清晰和直观地观察病变内部的结构，从而给这类疾病诊断及治疗带来极大挑战。三维打印技术的医学应用可通过制作病变组织的三维模型，使术者更加直观的认识病变处的空间解剖结构，帮助制订外科或介入手术方案，并且在模型上亦可模拟手术过程［4］。

通过断层扫描，在三维重建的基础上利用适合的材料打印出心脏模型，是CT及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）作为建模工具的依据。海伦·德沃斯儿童医院先天性心脏病中心专家发现，用三维经食道超声心动图（three-dimensional-trans esophageal echocardiography，3D-TEE）也可以构建出先天性心脏病患者的心脏三维打印模型，并且CT结合3D-TEE可以更准确的打印出心脏模型。CT、MRI以及3D-TEE这3种方法构建出的模型各有优缺点，结合起来可以提高打印的精准度［5］。目前，三维打印技术在经皮冠状动脉介入（percutaneous coronary intervention，PCI）治疗、瓣膜置换、先心病修补、心脏移植以及主动脉瘤支架等方面应用广泛［6-14］。

3　三维打印技术在PCI治疗中的应用

3.1用于科研教学

三维打印技术在PCI治疗中医学生教学和院内青年医生的专业技术教学应用。

3.1.1医学生教学

由于二维图像的局限性，医学生无法对于接触到的医学知识有深入的了解，所以通过具象化的方式将各个组织器官呈现在学生面前，是三维打印应用于教学最好的方式，可激发学生的好奇心和积极性。Costello等［15］探讨了高保真三维室间隔缺损模型可促进医学生对相关知识和概念的了解，同时激发了学生对相关领域医学知识的兴趣，对促进医学事业的发展起了积极的作用。Preece等［16］发现，当学习各种解剖学知识时，实体三维模型更容易激发学生学习的兴趣。将抽象的概念转化成具体的、可触及的实物，使学生更加直观和深刻的认识各种组织器官，包括其内部结构、表面血管走形，尤其是心脏、脑组织及血管网络等结构比较复杂的器官。心脏的血供丰富，血管走形复杂，内部解剖结构精细是医学生不易理解的几大难点，而现有的教学模型较粗糙、内部解剖结构无法显现是最大的问题。

目前，采用立体光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）光敏树脂材料的光固化技术三维打印透明的心脏模型，可以清楚看到心脏内部结构和表面血管。同时，国外科学家发现利用生物细胞材料可打印出具有生物活性的心脏，并能够存活数小时，这是医学界另一大突破，为将来研究组织器官替代物奠定了基础［17］。三维心脏建模示意如图1所示。

图1　三维心脏建模示意图

3.1.2PCI专业技术教学

青年医生是医学科学事业的中流砥柱，是与患者零距离接触的临床医生，其专业水平直接影响到患者的生命健康，因此培养其专业技术的硬件设施非常关键。在PCI治疗中，对心内科医生的专业技术水平要求非常之高，通常需要具备高级职称且行PCI治疗＞10年的医生方能独立进行手术。心脏介入的第一步是通过股动脉或者桡动脉路径进入动脉循环，在此过程中需要避免可能发生的出血、血栓以及动脉内膜剥离等并发症。由于此血管路径本身结构复杂，青年医师对疾病的了解限于对二维图片的解读，即使是三维图像的旋转，也是多幅二维图像的连续播放而已，且由于血管间的重叠，无法分辨其真实的空间结构。Miller等［18］利用三维打印技术制造出一种人工搏动血管，高保真的模拟生理状态下动脉的压力，使住院医师能够更好地加强对介入治疗的入门训练。

三维打印技术可以让青年医生更快更好地掌握这门技术，采用SLA光敏树脂材料的光固化技术三维打印可以构建从股动脉或者桡动脉达到心脏冠状动脉的完整的路径，青年医生不再是通过屏幕上的二维图像、合成的三维图像来学习，而是通过模型实际操作，真实的感受利用导丝从外周动脉行至冠状动脉的过程（如图2所示）。

图2　SLA光敏树脂三维打印原理图

三维打印技术可以利用生物细胞材料打印出仿真血管，使青年医生在模拟PCI时感受更加真实。入围国家“863计划”的四川蓝光英诺生物科技股份有限公司在三维生物打印血管项目上取得了突破性的进展，自主研发了三维生物血管打印机，三维生物血管打印机可以打印血管独有的中空结构和多层不同种类的细胞，这是世界首创［19］。三维打印技术构建的PCI血管仿真模型作为一种过渡的教学手段，缩短了心血管医生培养的周期，增加了实际操作的机会，丰富了青年医生的经验，PCI血管仿真模型如图3所示。

图3　PCI血管路径心脏建模输出后心脏和血管模型示图

3.2用于医患沟通

医患沟通是稳定医患关系最重要的一环，是减少甚至杜绝医患矛盾纠纷的必由之路，如何进行医患沟通是一门科学。造成医患关系不稳定的最主要原因为医院的医疗费用高、医患之间不信任、医生沟通技巧欠佳以及医患之间信息不通畅等。采用SLA光敏树脂材料的光固化技术三维打印PCI血管路径，医生利用此血管路径模拟手术中PCI治疗过程，将此过程完整地展现在患者的面前，加深患者及家属对PCI治疗过程的了解，为患者及其家属提供视觉和触觉上的直观理解，更好地了解及配合手术治疗方案，并可在模拟PCI治疗的同时讲述在此过程中可能发生的并发症及相关风险，如血管损伤、心律失常及心力衰竭等。在实体模拟操作PCI的过程中与患者沟通，使患者理解此操作过程的复杂性和不可控性，希望患者理解、支持医生的工作，可起到缓解医患矛盾、减少医疗纠纷的作用。

有研究表明，三维打印模型的使用可以显著提高在医患沟通中患者及家属的满意程度［20］。同时Biglino等［21］还发现结合三维打印与CMR打印出患儿先天心脏病模型，可增进患儿家长与医师之间的病情交流，让家长充分了解该疾病的发生进展情况，提高药物治疗依从性，对促进医患和谐起到积极作用。因此，三维打印模型对改善医患关系起到重要的辅助作用。使用三维打印模型辅助PCI手术教学流程如图4所示。

图4　三维打印模型辅助PCI手术教学流程对比框图

3.3用于手术预演

三维打印实体模型可以对术前影像进行三维实物重现，其仿真性高，可直观观察、分析病变及其与周围组织及结构的关系，让医师真实全面地了解冠状动脉结构，制定各种手术方案。三维打印技术还可以实现术前个体化设计、进行手术预演、精准手术过程、缩短手术时间、减少医源性损伤以及提高手术效率等优点，临床应用价值较高。临床上已有多个科室将三维打印应用于手术预演，如复杂骨折的内固定、骨骼畸形矫正、心脏瓣膜置换及室间隔封堵等。外科医师可以直观的观察病变部位，而心内科医师多依靠感觉、经验操作，故PCI手术对心血管内科医师要求极高，特别是遇到棘手的患者，比如冠脉多只多处病变，冠脉畸形等，常常会让心内科医师底气不足，没有十足的把握。采用SLA光敏树脂材料的光固化三维打印技术，可以通过患者冠状动脉CT血管造影（CT angiography，CTA）或磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）的扫描数据从而制作患者的PCI血管路径三维模型，可精确显示患者的心血管解剖结构，更加直观的了解冠状动脉的解剖，狭窄部位和程度。医师可以利用导丝来进行PCI手术预演，该在何处放置支架，如何放置，从而预测手术难度及手术效果，指导术者进行手术方案的制定。数位心血管专家可以同时进行操作预演，全科室进行病例讨论，制定手术方案，探讨各自的体验，增进交流，提高手术成功率。Tam等［22］发现，利用微型品制造、三维打印技术和图像重建技术可打印具有三维微通道的体外微流体模型，通过模拟冠心病金属支架植入血管的过程来了解支架放置的最适部位，可最大限度减少支架再狭窄率。Shi等［23］报道，三维技术打印针对不同患者的定制化支架也可降低支架内的再狭窄率，表明三维打印技术结合图像重建在PCI方向的研究非常具有前景。手术模型效果如图5所示。

图5　三维打印模型对应术中模拟操作效果图

4　三维打印技术展望

三维打印技术不仅可以应用于心脏外科、骨科术前诊断、手术模拟及疾病治疗，还可以应用于教学科研和医患沟通等。依靠三维打印技术实现的模拟手术不仅使医生充分了解和评估患者病情，更颠覆了传统的医学教学模式，使得年轻医生的成长不再完全依赖于师徒教学。

三维打印技术对结构性心脏病，尤其是对复杂性和特殊的先天性心脏病的诊治较其他影像学检查具有独到的优势，但在心血管病内科领域的应用目前尚未深入展开。对冠心病患者而言，最大的价值或许在于PCI治疗中的解剖关系显露及模拟手术入路，帮助了解其内部结构及畸形情况，指导治疗策略制定。虽然三维打印技术是一项具有“工业革命”意义的高新制造技术，但作为一项新的技术，三维打印也存在许多问题和不足，也面临多方面的挑战，如成本、材料及精细程度等在未来的研究中尚需进一步发展与完善，以更好地发挥其在医学领域，尤其是心血管疾病研究中的应用价值。

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Application of three-dimensional printing technology in the percutaneous coronary intervention field/

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Under the guidance of three-dimensional images， and the superposition of special material step by step， three-dimensional entity model can be generated. It is a new technology which has been developing rapidly in recent years. Now 3-D printing products has penetrated into every aspect of our lives， at the same time， with the progressing of 3-D imaging technology and materials engineering， 3-D printing technology are gradually applying to medical practice，including the orthopaedics， treatment of congenital heart disease and valve replacement. There are few researches about the 3-D printing technology in the application of percutaneous coronary intervention （PCI）， so the paper is to preliminary explore the application of 3-D printing in PCI from three aspects of technology teaching， doctor-patient communication and surgical planning.

Three-dimensional printing； Percutaneous coronary intervention； Training model； Technical teaching

1672-8270（2016）08-0129-05 ［中图分类号］R197.39

A

王庆涛，男，（1990- ），硕士研究生，医师。长江大学附属第一医院心内科，从事心血管内科及相关科研工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.041

①长江大学附属第一医院心内科 湖北 荆州 434000

496666462@qq.com

2016-05-06